专利名称：微型光纤电流传感器探头及其制作方法
技术领域：
本发明属于光纤微加工技术、薄膜材料制备技术及光电检测技术的交叉领域，涉 及光纤电流传感器，具体涉及到微型光纤电流传感器探头及其制备方法。
背景技术：
随着现代电力向高电压、大容量方向的发展，对在电力系统中起保护和监控作用 的电流传感器提出了微型化、自动化和高可靠性的要求。传统的电磁式电流互感器遇到了 极大的困难和挑战。其中最主要是绝缘问题，电压的提高给绝缘技术带来更加复杂的，甚 至不易解决的困难；其次是体积庞大，重量剧增，给生产、运输、维护、防爆等带来诸多困难； 此外，传统的电磁感应式电流互感器的成本随电压等级的提高呈指数规律增加。因此，发展 一种新型的高电压大电流测量系统已成为迫切的需要并有着极大的市场潜力。光纤电流传感器由于有极高的灵敏度和精度，固有的安全性，抗电磁干扰，高绝缘 强度，耐高温，耐腐蚀，质轻柔韧，集传感与传输一体，能与数字通信系统兼容等，因此，光纤 电流传感器成为当前研究的热点。光纤电流传感器主要有两种基于法拉第磁光效应和基于磁致伸缩原理的光纤电 流传感器。法拉第磁光效应原理是光纤中的线偏光在电流产生的磁场时偏转，光纤电流传 感器通过测量线偏光偏转角度的大小来获得电流的大小；磁致伸缩原理是在磁场下磁致伸 缩材料发生形变，通过磁致伸缩材料的形变带动光纤光栅中心波长发生改变，检测光纤光 栅中心波长的变化以得到电流的信息。基于法拉第效应的光纤电流传感器由于光纤内双折 射的存在大大的降低了系统的灵敏度，并且得系统精度易受环境温度的影响。而将光纤光 栅与超磁致伸缩材料结合，通过测量光纤光栅反射中心波长得到电流的大小可以避免光纤 双折射效应和光纤中光强变化对测量精度的影响。通过磁控溅射将超磁致伸缩材料TbDyFe 溅射到经过抛磨加工的光纤光栅(D型光纤光栅)上，不仅可以大大减小传感器的体积，而 且还可以提高传感器的灵敏度。
发明内容
本发明目的是提供一种微型高灵敏度的光纤电流传感器探头及其制作方法。本发明目的是通过下述技术方案来实现—种微型光纤电流传感器探头，其特征在于，该探头由溅射有TbDyFe薄膜的D型 光纤光栅与具有同样中心波长的没有镀膜的参考光栅对接焊接起来构成，其溅射有TbDyFe 薄膜的D型光纤光栅是经过侧边抛磨处理的光纤光栅上溅射一层超磁致伸缩材料TbDyFe 薄膜构成，薄膜厚度为2-20 μ m。本发明的微型光纤电流传感器探头的制作方法，包括如下步骤1)、将D型光纤光栅在无水乙醇中超声清洗30分钟，然后在去离子水中超声清洗 20分钟，用紫外灯烘烤干后，放入镀膜机腔体中溅射TbDyFe薄膜；2)、利用高真空磁控溅射法制备超磁致伸缩薄膜，溅射靶材使用纯度为99. 9%的
3TbDyFe靶，在1 X 10_3Pa高真空下，氩气作为工艺气体，气压0. 5Pa,采用射频溅射工艺，起始 功率70W，溅射功率150W，石英晶体振荡法监测厚度，制备薄膜厚度为2-20μπι;3)、将有溅射TbDyFe薄膜的D型光纤光栅，在气压为1 X 10_3Pa高真空中进行热处 理，温度300°C，升温速率每分钟6°C，保温时间为1小时；4)、将镀膜后的D型光纤光栅与具有同样中心波长的没有镀膜的参考光栅对接焊 接起来，即制得微型光纤电流传感器探头。本发明将超磁致伸缩材料TbDyFe溅射到经过抛磨处理的截面为D型光纤光栅上 制成光纤电流传感器探头。超磁致伸缩材料TbDyFe具有强磁致伸缩效应、高机电耦合效 应、高响应速度以及非接触式驱动；光纤光栅具有绝缘、耐腐蚀、耐高温、抗电磁干扰、质轻 等优点。将两者结合可以制备微型高灵敏度的光纤电流传感器探头。将光纤光栅经过抛磨 处理，然后在光纤光栅上溅射超磁致伸缩材料TbDyFe膜可以大大提高光纤电流传感器的 灵敏度。本发明的微型光纤电流传感器探头工作原理(图1)是光纤光栅解调仪中光源发 出稳定的宽带光，通过耦合器到达镀了磁致伸缩薄膜的D型光纤光栅，一定的波长的光被 该光纤光栅反射到光纤光栅解调仪。当传感探头放在电流产生的磁场下时，超磁致伸缩薄 膜发生形变，使D型光纤光栅的周期发生改变，从而改变D型光纤光栅反射光的中心波长， 通过检测光纤光栅反射光的中心波长的变化来实现电流的高灵敏度精确测量。本发明中的传感光纤采用单模光纤，纤芯的直径为9 μ m,包层的厚度为62. 5 μ m。 用相位掩模板法，通过准分子激光器发出产生的紫外光，在透过掩模板衍射时，零级衍射光 被衰减到低于透射功率的3%，而一级衍射相加或相减被最大化，分别占整个透射功率的 35%左右。一级衍射条纹发生干涉，干涉条纹照射在光纤纤芯上，使照射部分纤芯折射率发 生永久性改变，形成布拉格光纤光栅。通过相同的工艺制作一批中心波长为1300nm附近的 光纤光栅。通过用相位掩模板法制备的光纤光栅具有可靠性高，反射率在90%以上，可以提 高检测信号的大大增强。为了提高传感探头的灵敏度，将光纤光栅固定在抛磨机上进行抛磨，去掉一部分 包层。通过设定抛磨速度和抛磨时间可以控制光纤光栅的抛磨程度。将光纤光栅抛磨，一 方面可以去掉一部分包层，另一方面可以在光纤光栅上形成具有一定粗糙度的平面。包层 的减少可以使传感探头在同样的磁场下能产生更大的形变；在具有一定粗糙度的表面溅射 TbDyFe薄膜，可以提高TbDyFe薄膜与光纤光栅的结合力，也可以形成具有一定择优生长的 磁致伸缩薄膜材料。通过抛磨后再溅射薄膜可以大大提高光纤光栅形变的灵敏度，从而提 高传感探头的精度。将经过抛磨的光纤光栅在无水乙醇中超声清洗30分钟，然后在去离子水中超声 清洗20分钟，用紫外灯烘烤干后，放入镀膜机腔体中溅射TbDyFe薄膜。在高真空条件下向 光纤光栅的抛磨面溅射TbDyFe薄膜。TbDyFe薄膜的制备采用德国进口 BESTEC真空镀膜 机，在IXKT3Pa高真空下，氩气作为工艺气体，气压0.5Pa。采用射频溅射工艺，起始功率 70W,溅射功率150W，石英晶体振荡法监测厚度。通过控制溅射时间来控制薄膜厚度，制备薄 膜厚度为2-20 μ m。通过射频溅射，采用衬底样品托盘水冷，在溅射过程快速冷却，有利于形 成非晶态薄膜。该方法制备TbDyFe薄膜具有以下优点具有非晶态结构，膜与光纤光栅之 间的粘着力强；易形成高熔点物质的膜；可得到大面积均勻致密的TbDyFe薄膜。
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将溅射TbDyFe薄膜的D型光纤光栅，在气压为1 X 10_3Pa高真空中300°C热处理1 小时，提高传感探头的性能。在真空中热处理，可以防止薄膜被氧化；在300°C热处理不仅 可以提高薄膜与光纤光栅的粘附力，可以提高TbDyFe薄膜的磁致伸缩系数，进而提高传感 探头的灵敏度。为了减少温度对测量精度的影响，将镀膜后的光纤光栅与具有同样中心波长的光 纤光栅焊接起来，没镀膜的光纤光栅作为参考光栅。在同样的环境下，用溅射了 TbDyFe膜 的D型光纤光栅中心波长的变化量减去参考光栅中心波长的变化量，可以抵消由于温度变 化导致D型光纤光栅中心波长的漂移，从而得到由电流变化所导致D型光纤光栅中心波长 的变化。通过这种方法，可以大大提高光纤电流传感器的灵敏度。
图1、微型光纤电流传感器测试工作原理2、微型光纤电流传感器探头结构示意3、微型光纤电流传感器探头侧面示意4、微型光纤电流传感器探头截面示意图其中1-计算机，2-光纤光栅解调仪，3-耦合器，4-传感光纤，5-支撑架，6_电缆， 7-电流，8-参考光栅，9-D型光纤光栅，IO-TbDyFe薄膜，11-光纤纤芯，12-光纤包层。
具体实施例方式下面将结合附图对发明中的光纤电流传感器的实施方案作进一步详细说明本发明的微型光纤电流传感器探头结构如图2所示，探头由溅射有TbDyFe薄膜10 的D型光纤光栅9与具有同样中心波长的没有镀膜的参考光栅8对接焊接起来构成。采用相位掩模板法在单模光纤制备两根具有同样中心波长的光纤光栅。一根作为 参考光栅8起温度补偿作用；另一根作为D型光纤光栅9 (传感光栅)，起敏感探头作用。为 了提高传感探头的灵敏度，将作为敏感探头的光纤光栅固定在抛磨机上进行抛磨，去掉一 部分光纤包层12，使光纤光栅抛磨接近光纤纤芯11，使形成比较大的具有一定粗糙度的平图3和图4分别为光纤电流传感器探头的侧面图和截面图。在光纤光栅抛磨的表 面溅射TbDyFe薄膜，可以提高TbDyFe薄膜与D型光纤光栅的结合力。将D型光纤光栅在 无水乙醇中超声清洗30分钟，然后再去离子水中超声清洗20分钟，用紫外灯烘烤干后，放 入镀膜机腔体中溅射TbDyFe薄膜。TbDyFe薄膜的制备采用德国进口 BESTEC真空镀膜机， 在1 X IO-3Pa高真空下，氩气作为工艺气体，气压0. 5Pa。采用射频溅射工艺，起始功率70W， 溅射功率150W，石英晶体振荡法监测厚度。通过射频溅射，采用衬底样品托盘水冷，在溅射 过程快速冷却，有利于形成非晶态薄膜，制备的非晶态薄膜在低磁场下具有高的灵敏度。通 过控制溅射时间来控制薄膜厚度，制备薄膜厚度为2-20 μ m，薄膜越厚，传感探头的灵敏度 越高。薄膜的制备工艺对传感探头的性能有重要影响。通过抛磨后再溅射薄膜可以大大提 高光纤光栅形变的灵敏度，从而提高传感探头的精度。为了进一步提高传感探头的灵敏度，将溅射TbDyFe薄膜的D型光纤光栅，在真空 炉中进行热处理。升温速率设定每分钟6°C，在高真空中300°C保温1小时。在300°C下真
5空中热处理，不仅可以提高薄膜与D型光纤光栅的粘附力，而且可以减小薄膜内缺陷，提高 TbDyFe薄膜的磁致伸缩系数，从而进一步提高传感探头的灵敏度。 为了减少温度对测量精度的影响，将镀膜后的D型光纤光栅与具有同样中心波长 的光纤光栅采用光纤高电压焊接技术焊接起来，没有溅射TbDyFe薄膜的光纤光栅作为参 考光栅。在同样的环境下，用溅射TbDyFe膜的D型光纤光栅中心波长的变化量减去参考光 栅中心波长的变化量，可以抵消由于温度变化导致D型光纤光栅中心波长的漂移，从而得 到由电流变化所导致D型光纤光栅中心波长的变化。通过这种方法，可以消除环境温度对 传感器测量精度的影响，因此大大提高了光纤磁场传感器的准确度。
权利要求
一种微型光纤电流传感探头，其特征在于，该探头由溅射有TbDyFe薄膜(10)的D型光纤光栅(9)与具有同样中心波长的没有镀膜的参考光栅(8)对接焊接起来构成，其溅射有TbDyFe薄膜的D型光纤光栅是经过侧边抛磨处理的光纤光栅上溅射一层超磁致伸缩材料TbDyFe薄膜构成，薄膜厚度为2 20μm。
2.如权利要求1所述的微型光纤电流传感器探头的制作方法；其特征在于，包括如下 步骤1)、将经过腐蚀和侧边抛磨处理的D型光纤光栅在无水乙醇中超声清洗30分钟，然后 在去离子水中超声清洗20分钟，用紫外灯烘烤干后，放入镀膜机腔体中溅射TbDyFe薄膜；2)、利用高真空磁控溅射法制备超磁致伸缩薄膜，溅射靶材使用纯度为99.9 %的 TbDyFe靶，在1 X 10_3Pa高真空下，氩气作为工艺气体，气压0. 5Pa,采用射频溅射工艺，起始 功率70W，溅射功率150W，石英晶体振荡法监测厚度，制备薄膜厚度为2-20μπι;3)、将有溅射TbDyFe薄膜的D型光纤光栅，在气压为IX10_3Pa高真空中进行热处理， 温度300°C，升温速率每分钟6°C，保温时间为1小时；4)、将镀膜后的D型光纤光栅与具有同样中心波长的没有镀膜的参考光栅对接焊接起 来，即制得微型光纤电流传感器探头。
全文摘要
本发明涉及一种微型光纤电流传感探头及其制作方法。该探头由溅射有TbDyFe薄膜(10)的D型光纤光栅(9)与具有同样中心波长的没有镀膜的参考光栅(8)对接焊接起来构成，其溅射有TbDyFe薄膜的D型光纤光栅是经过侧边抛磨处理的光纤光栅上溅射一层超磁致伸缩材料TbDyFe薄膜构成，薄膜厚度为2-20μm。其制作方法是将对磁场敏感的磁致伸缩TbDyFe薄膜与抗电磁干扰D型光纤光栅结合起来形成光纤电流传感器探头。采用磁控溅射工艺、热处理工艺和温度补偿技术，使传感器的准确性和灵敏度得到极大地提高，并且传感探头体积大大减小，有利于实现光纤电流传感器的微型化。
文档编号G02B6/02GK101915865SQ20101022324
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月5日 优先权日2010年7月5日
发明者代吉祥, 李小兵, 杨明红 申请人:武汉理工大学